青島地鐵海底隧道施工安全技術風險控制研究

邱康敏

（中鐵二局集團有限公司，四川 成都610031）

1 工程概況

青島市地鐵8 號線位于青島市城陽區，正線全長61.4 km，設車站18 座，設計時速120 km，大洋站—青島北站礦山法區間工程起自大洋站，沿大洋村水泥村道向東敷設，過華中南路后以半徑800 m 的右轉曲線，向東南方向入海；區間線路以直線形式穿越膠州灣海域，過海后接入青島北站。

大青區間采用單線雙洞的結構形式，長度約7.8 km，大青區間西側過海段總長4 119 m，其中陸域段長1 582 m，海域段長2 537 m。左、右線共有曲線8 處，最小曲線半徑800 m。區間線路整體呈“V”坡，最大縱坡28‰，最小坡度4.95‰；其中西側過海段采用礦山法施工，東側過海段采用盾構施工，兩種施工方法在海底完成對接，附屬結構均采用礦山法施工，詳見圖1。

圖1 大青區間平面示意圖及過海隧道斜井

2 周圍環境

膠州灣是山東半島東南沿海的一個深入內陸的半封閉海灣，東西寬27.8 km，南北長33.3 km，岸線長210 km；水深西北淺、東南深，平均水深7 m 左右，最大水深65 m，其中5 m 水深以內的面積占總面積的66.44%；膠州灣海底地勢自北向南傾斜，腹大口小，灣口有一條深30～40 m 的深水槽伸入灣內，在黃島、團島之間轉向朝北，轉折處形成水深達64 m 的深水潭，其東南側受滄口斷層影響形成陡坎，坡度達11°18′，是灣內最深的地區。

大青區間海域段穿越膠州灣，膠州灣內自東向西有滄口水道、中央水道、大沽河水道、島耳河水道和黃島水道5 條水道向灣口匯集，而后通向外海，水道之間為凸起的正地形；膠州灣北部因沉積物的淤積，海床平坦；在水深小于10 m的區域，形成大片淺水灘地，地形坡度一般較小；灣內其他地方地勢較平坦。

3 工程地質情況

3.1 地質概況

大青區間位于華北板塊（Ⅰ級）、膠北地塊（Ⅱ級）、膠北隆起及坳陷區（Ⅲ級）、膠萊坳陷（斷）（Ⅳ級）、即墨凹陷（Ⅴ級）內，自太古代到元古代以來一直處于長期、緩慢、穩定的上升隆起狀態，缺失華北型地層沉積；線路穿越地層為白堊系青山群形成的火山噴出巖及火山質沉積巖為主，主要由第四系全新統人工填土層（Q4ml）、海積層（Q4m）、洪沖積層（Q4al+pl）及上更新統洪沖積層（Q3al+pl）組成；基巖為白堊系青山群流紋巖、安山巖、凝灰巖和王氏群泥質砂巖及火山角礫巖等。

3.2 斷層分布情況

大青區間穿越F5-F10 斷層，其中海域段受F5、F6 兩條斷裂帶影響較大，其特征如下。

F5 基巖破碎帶位于測區西部冒島東側，線路右CK41+830～右CK42+200 之間，寬度約370 m，大致呈東北西南走向，地層剖面上顯示存在a、b 兩斷層；受a、b 斷層控制，冒島基巖呈階梯狀向海下潛，西側b 斷層上斷點埋深9～11 m，基巖面上下錯動4～5 m，傾向SE，鉆探查明上盤為凝灰巖，下盤為安山巖；東側a 斷層上斷點埋深約20.5 m，基巖面上下錯動3～4 m，鉆探查明上下盤均為凝灰巖。

F6 斷層：根據青島海灣大橋地質構造、區域地質構造圖和工區鉆探地質巖石類別，推測該段小里程CK40+800 處存在斷裂構造，該斷裂左側為凝灰巖，右側為安山巖，斷距為2～4 m，寬度約10 m，大致呈東北西南走向，詳見圖2。

圖2 大青區間斷層分布平面示意圖

4 超前地質預報及預加固

4.1 超前地質預報

大青區間隧道在通過斷層破碎等不良地質地段時開展以下超前地質預報工作，詳見圖3。

圖3 大青區間超前地質預報

根據地質詳勘資料初步判定斷層破碎帶位置，采用TSP、超前探水等地質預報系統互相印證，精確確定地層富水條件，斷層、風化槽變化范圍、規模。

距離界面10～15 m 進行水平鉆探，精確確定斷層位置，利用水平鉆孔巖芯和含水量等劃定斷層性質。

4.2 預加固

根據超前地質預報結果，結合不同地質圍巖、圍巖破碎情況、水量及水壓大小的不同，采取全斷面注漿、帷幕注漿、局部注漿措施實施封堵加固圍巖。大青區間隧道過斷層破碎帶采用全斷面注漿，詳見圖4，其適用范圍和采用參數情況如下。

根據地質預報判定，區間隧道過斷層破碎帶為Ⅴ級圍巖地層，前方圍巖破碎、斷層巖體風化嚴重、存在斷層泥；超前探水孔單孔出水量大于60 L/min，探水孔水壓大于0.65 MPa，因此可采用全斷面注漿。

圖4 過斷層破碎帶全斷面注漿及布孔示意圖

過斷層破碎帶全斷面注漿施工參數如下：①注漿范圍為隧道開挖線以外5 m，注漿段長度為20 m，一個注漿段完成后留6 m 暫不開挖，作為下一注漿段的止漿巖盤。②每循環超前預注漿共設置70 個注漿孔，1＃～16＃孔深14 m，17＃～46＃孔深21 m。注漿孔開孔直徑?130，終孔直徑?108。注漿前在止漿墻或止漿盤內埋?100 焊接鋼管作為孔口管，孔口管長2.2 m，孔口外露20 cm。③在海域段注漿終壓采用1.5～3.0 MPa。海底隧道封堵涌水時注漿終壓，參照公式P=（2～4）MPa＋Po（其中Po為涌水壓力）計算，并結合工程經驗確定。④注漿漿液采用特制硫鋁酸鹽水泥單液漿，W/c=0.6～1.2；并附以超細水泥漿液補充注漿，W/c=0.6～1.2。漿液水灰比應根據注漿效果及現場實際情況及時調整。⑤注漿速率范圍為5～110 L/min，施工時可根據現場情況進行調整。

5 海域段爆破設計

海域段埋深較淺，受斷裂帶影響大，特別是F5 斷層影響洞段超過370 m，上方是膠州灣海域，爆破施工風險極高，因此結合海域段海底巖體巖性、構造特征有針對性地進行了爆破設計，并在施工中不斷驗證和改進完善。

本次以海域段IV1b 型斷面為例，上臺階的炸藥單耗選取為1.1 kg/m3，下臺階的炸藥單耗選取為0.64 kg/m3，開挖進尺1.5 m。循環進尺可根據實際圍巖地質條件合理變更，若圍巖條件突然變差，可適當縮小循環進尺；若圍巖條件足夠好，可適當增加循環進尺，詳見圖5、圖6。

圖5 海域段Ⅳ級圍巖爆破設計圖

圖6 海域段Ⅳ級圍巖爆破效果圖

6 安全質量保障措施

鑒于暗挖區間所處的特殊環境條件，直接的保護措施難以實施，主要通過控制施工過程所產生的巖體擾動和沉降變形來實現，根據施工經驗和周邊環境狀況，通過采取以下措施可以對風險進行有效管控。

6.1 管理措施

建立與政府相關部門及相關單位的溝通協調和聯動機制。編制暗挖隧道的專項施工方案，嚴格履行審查批準程序。建立并實施領導帶班制度。編制專項應急預案，提前進行各項演練并儲備應急物資。采用安全質量隱患排查系統等應用軟件，使各項管理制度、風險管控措施和專項方案能夠得到貫徹和落實。做好各項方案、預案的交底工作，并在作業前向作業層人員進行風險管控交底和培訓。

6.2 技術措施

遵循“預加固、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、快襯砌”的原則進行施工。在進行超前鉆探時，做好孔口管及止水球閥的安裝，其抗水壓能力至少為最大涌水壓力的2倍，以確保鉆探過程中不出現孔口涌突水情況，保證施工安全。要可靠驗證圍巖預加固質量，可通過地質雷達和超前鉆孔進行驗證。爆破采用減震爆破技術，同時嚴格控制循環進尺和每循環的開挖長度，防止對圍巖產生大的擾動。制定專項監測方案，設置自動監測系統實施全過程動態監測，隨時掌握開挖過程中圍巖的動態和支護結構的穩定狀態，并據此確定相應的施工措施，在完成海域段穿越后，及時施做二次襯砌，確保施工安全。

7 應急管理

7.1 建立應急體系

成立以項目經理為首的緊急情況應對小組，明確職責分工，有條不紊地應對突發情況。

7.2 建立實施監控系統

在工作面設置實時監控系統，隨時掌握現場情況，施工現場充分準備搶險、救災物資和防護設備。當發現隧道掌子面及初支裸露面的涌水量增大、局部滲水量增加、涌水水質變化帶泥帶壓時，應立即組織人員先期撤離。

7.3 規劃逃生線路

在施工組織中做好逃生路線、警示裝置設計，并對進入洞內的人員進行定期演練，緊急情況下現場管理人員須立即發出險情訊號，并按逃生路線有序撤離工作面。

7.4 突涌水應急處置

海底隧道施工風險突出，一旦圍巖變形較大，極易引發突水、塌方。為確保掌子面的穩定和隧道施工安全，進行注漿加固和堵水是非常必要的，在此主要介紹突涌水應急處置措施。

主洞在可能出現突發涌水的張拉性斷層破碎帶及其他不良地質地段開挖前設置防水閘門。選擇地質條件較好的地段，一旦掌子面地段發生不可控制涌水、涌泥險情，施工人員應迅速撤離到安全地段，同時迅速關閉閘門。

施工過程中各開挖掌子面均需保證良好的通訊聯絡，并有專門的報警設施。

施工期間須注意保持防水閘門的靈活性與安全性，并安排專人專班值守。在各通道口及重要部位加設防水閘門，一旦發生突泥突水災害，遇險人員應利用預設的爬梯、臺架、逃生繩等脫險；人員撤離后可將防水閘門關閉，以阻擋災害蔓延，防淹門必須達到自動化控制，以保證防淹門順利啟閉。

如果涌水量較大，人員可利用救生圈、救生衣等進行逃生，逐步轉移到安全地點；當被困人員不能及時脫險時，應及時發出求救信號，報告有關情況便于營救人員盡快得知自己的位置，便于施救。

在施工中應經常演練疏散逃生過程，避免緊急情況下出現無序狀態。應急物資儲備如圖7 所示，定位智能安全帽如圖8 所示。

圖7 應急物資儲備

圖8 定位智能安全帽

8 結束語

青島地鐵8 號線大青區間是目前國內在建最長的海底地鐵隧道，已于2020-06 實現貫通，其下穿膠州灣，連通了新機場、紅島、青島北站，是推動青島快速發展的重要地鐵線路，其海域段西側礦山法段是大青區間的重要節點工程，存在埋深淺、受斷裂帶影響大、地質條件復雜和工期緊、難度大、無成熟的經驗可借鑒等特點。本文從海域段超前地質預報、圍巖預加固、海域段爆破設計、安全質量保障和應急管理五個主要方面對過海隧道的施工安全技術進行了深入分析、總結和研究，總結出了一套安全、快速、經濟、有效的穿越海底隧道的施工方法，保證了隧道主體結構抗裂性和覆蓋巖層穩定，在海底隧道施工方面積累了一定的經驗，為類似工程提供重要借鑒和參考。